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基于双速双离合变速器的电动汽车最优再生制动能量回收系统
摘要
再生制动能量回收对于在满足实时制动需求的同时延长电动车辆（EV）的行驶里程具有重要意义。制动能量策略在改善再生制动性能和确保制动安全性方面起着重要作用。本文针对具有双速双离合器变速器（DCT）的示例EV提出了再生制动能量恢复策略。双速DCT结构简单，可有效延长主动车辆的速度范围，实现再生制动。同时，针对DCT提出了一种换挡策略，与现有的制动能量回收策略配合，优化前后轮之间的制动力分配，电机和摩擦制动力。电动汽车的再生制动策略和最佳换档时间表模型已经在Matlab / Simulink中建立和实施。然后在我们的实验室中建立了基于示例EV的试验台来实验验证所提出的策略。模拟和实验结果显示出显着的一致性。验证了所提出的再生制动控制策略不仅可以表现出优异的性能，还可以通过增加双速DCT来恢复更多的制动能量。
介绍
电动车（EV）已被广泛接受为当前常规内燃机车的潜在替代品，以加速可持续和绿色运输。它们具有卓越的特点，如高效率和更灵活的动力系统以及减少排放。然而，短暂的一次充电驱动范围和耗时的充电都不能满足预期并且不能被大众采用。再生制动能量回收作为电动汽车最有利的发展之一，可以回收电能，而不是在制动过程中散热。经过多年研究，作为通过回收部分制动能量以供未来使用来延长电动汽车里程的可行方法。 S. Sarip为电动汽车设计了一个制动盘，用有限元分析来再生制动能量[1]。梁楚，等。制定了减速敏感的制动力分配策略，以在前后轴之间分配所需的制动力[2]。 S.J克莱格回顾了几种制动能量方法[3]。其他方法也可以在参考文献[4,5,6,7]中找到并详细说明。
此外，为了延长行驶里程并改善驾驶性能，已经有很多尝试将传动系统与电动汽车整合在一起。例如，Q. Ren设计了一种电动汽车的特殊传动系统，以便为电动汽车提供更好的性能[8]。 H. Kang提出了一种新的方法来优化传动比设计[9]。 Galea，F在EV中增加了一个无级变速系统来研究车辆性能的可能改进[10]。不幸的是，很少有人注意到DCT作为一种高效系统不仅可以提高车辆性能[11]，而且还可以提高再生制动能力，特别是当它具有像基于双速的简单结构时。此外，到目前为止，文献指的是基于实验验证的基于DCT的EV的制动能量恢复策略很少被润滑。基于目前电动汽车的上述两个缺陷，迫切需要开发新的制动能量回收策略，并将其添加到基于DCT的电动汽车中，以获得更好的驾驶性能和燃油效率。
本文首先建立了Matlab / Simulink模型，包括驱动单元，车辆控制单元，电机单元，传动单元，电池单元和车辆单元。 该模型被用来模拟驾驶动态的四个典型的A策略，前后轮之间的制动力分配被提出来保持制动期间的制动性能和方向稳定性，同时尽可能地重新获取制动能量。
提出电机制动力和摩擦制动力的合作计划，以恢复更多的制动能量并优化驾驶员的感觉。
由于本文提到的所有方法均适用于基于双速DCT的EV，因此与具有固定齿轮比传输的EV相比，基于DCT的EV的能量回收具有优势。
Simulink模型
本文在Simulink中引入了完整的EV模型，以模拟基于DCT的EV在不同驾驶周期中运行，如图1所示。
为了使仿真结果更令人信服，可以在“司机”单元中模拟许多典型的城市驾驶循环，例如， NEDC，UDDS和日本 - 1015。 模型中的所有参数都来自本实验中使用的真实设备。 （例如来自UQM Technologies的无刷永磁电动机，来自NTC和UTS的改进的2速DCT以及来自北京电动车辆有限公司的示例EV特性）。
电池单元代表容量为60 Ah，电压为336 V，效率约为95％的锂离子电池。 电机单元用于模拟电动车试验台上配备的永磁电机的特性。 它能够在短时间内达到300 N·m的峰值转矩，并持续输出45 kW的功率。下面描述的制动力分配策略在VCU单元中，用于控制经济条件下的车辆行驶 以节省更多的制动能量。
制动能量回收的关键限制因素
行驶中的车辆产生与运动方向相反的纵向滚动阻力和空气阻力。 滚动阻力与轮胎印刷上的法向力成正比。 空气阻力取决于车速和前部区域。 与滚动阻力相比，空气阻力太小而不能对制动安全性产生影响。 车辆制动力主要由车辆制动系统决定。 但最大制动力受地面附着力的限制。 当施加在由制动系统提供的轴上的制动力超过最大地面附着力时，车轮将锁定并打滑。 车轮上的路面附着系数和轴向载荷限制了最大地面附着力。 此外，路面附着系数主要取决于道路材料，路况，车轮结构和轮胎胎面。 制动力系数定义为地面制动力除以垂直载荷。
当车轮处于恒定的垂直载荷下，然后在轮辋上施加横向力时，轮胎将偏转并侧向滑动。 横向力系数定义为车轮侧向力除以轴向载荷。 如果侧滑角固定，保持方向稳定性和避免侧滑的能力仅取决于侧向力系数和纵向滑移率。
制动力系数和侧向力系数较大，制动性能和横向稳定性较好，可防止纵向滑移。因此，在对车轴施加再生制动力之后，需要前后制动力的最佳平衡。在制动过程中，电机应尽可能提供制动力（转矩），以便通过作为发电机获得更好的能效。但是，考虑到电池和电机的安全性和特点，发电机在制动中的参与程度应该限制在一定程度。在这个模型中，电机仅连接到前桥。这意味着再生制动力只能施加在前轮上。在前桥增加一个额外的制动力将改变前后桥之间的制动力分配比，这是制动过程中制动性能和稳定性的关键点。由于再生制动单独工作或与前轮上的摩擦制动和单独施加在后轮上的摩擦制动力配合，前后制动力之间的分配比在很大程度上等于再生制动和摩擦制动之间的分配比力。为了提供足够的制动扭矩并防止过度充电，当充电状态（SOC）达到极限时，应禁止再生制动给电池充电。
总而言之，制动回收能量的最大值受到两个因素的限制：电动机可以再生多少能量，以及它们可以在电池中再储存多少能量。 它们具体表现在以下三个方面：
1.用于制动能量回收的电池SOC范围
SOC超过80％时，电池的内部电阻呈指数增长，但在此值下相对恒定。 因此，通常选择80％作为再生制动控制中SOC的上限。
2.发电机的输出转矩范围
当车辆再生制动能量时，电机作为发电机工作。 发电机在制动过程中的输出转矩范围决定了施加在车轮上的最大和最小制动力。 在短时间内，可以提供峰值制动转矩
如果制动时间长于30秒（仅适用于该型号），则只能提供额定制动力矩。 如果电机的转速低于一定的阈值，则电机产生的感应电动势变得太小而不能提供足够的电池充电能力。
3.分配前轮和后轮之间的要求制动力的时间表
评估车辆制动系统的性能主要有三个因素：
1.制动效果：制动距离和减速度。
2.制动稳定性：防热褪色的能力。
3.制动时的方向稳定性：避免制动偏转，制动打滑，转向动力损失的能力。
本文主要关注第三点需求。 由于它不仅对制动安全起着重要作用，而且通过确定制动时电机制动的参与程度，对制动能量回收有很大影响。 根据不同的制动效果，制动安全规定可分为三个方面：
1.理想制动力分布曲线
当两个车轴的制动力都足够时，车辆制动过程就会出现如下情况：
1.前轮锁定并先滑动，后轮锁定并稍后滑动。
2.后轮锁定并先滑动，前轮锁定并稍后滑动。
3.前轮和后轮同时锁定和滑动。
A是稳定的状态。 但它会失去转向能力并降低附着系数的利用率。 B不是一个稳定的状态。 粘附系数也没有充分利用。 C可以避免车辆打滑，同时，除非在最大制动情况下，否则前方向盘不会失去转向力。
显然，第三个比前两个好。 曲线表示在C条件下，前轮制动力与实际车轮之间的制动力之间的关系称为理想制动力分配曲线（曲线理想，图2）。
前轮和后轮的正常制动力为：
其中，Ff和Fr分别表示施加在前轮和后轮上的制动力，La和Lb表示从车辆质量中心到前后轴的距离，L = La Lb，G是车辆重力，hg是 质量中心，j是车辆减速度，g是重力加速度。
同时锁定前后轮的要求是前后轮制动力之和等于任何附着系数道路中的附着力。 此外，前后制动力分别等于其附着力
2.前后轮锁定曲线
当车轮的输出制动力超过最大地面附着力时，车轮将锁定。 锁定的轮子会滑到地面上。 它不仅加速了车轮的损伤，而且由于粘接系数的降低，导致车辆处于不稳定状态。 如果前轮被锁定：
曲线f表示当前轮锁定时前制动力与后制动力之间的关系。 同样，曲线r代表后车轮在前车锁定之前锁止时的制动力分配比。 （图2）
3.欧洲经委会行
联合国欧洲经济委员会制定了欧洲经委会R13制动规则，以确保制动期间的安全。 它宣布明确要求前轮和后轮的制动力。 有人解释说：
规定前轮附着系数曲线应高于后轮附着系数曲线。 根据这个要求，制动力可以表示为：
对于具有固定制动力分配比（beta;）的车辆，如果beta;高于I，后轮将比前者更早锁定，反之亦然。
为避免侧滑和保持转向能力，实际制动力分配比率曲线应低于并接近理想曲线。 但是从节省燃料的角度来看，这条曲线更接近水平轴，更多的能量可以被再生。 考虑到上述因素，实际分配率曲线应始终位于ECE，l，f，r和横轴曲线包围的区域内。
图片2 限制因素下的制动力分配策略
4.要求电机与机械系统之间的制动力分配
电机仅连接到该测试台的前桥。 如果后轮没有制动力，不仅容易导致转向能力的丧失，而且在紧急制动的情况下，电机不能提供足够的制动力来停止车辆的安全。 因此，电动汽车仍然需要机械制动系统作为再生制动系统的补充。
在此模型中，所选电机的最大再生功率为125kw（PP），连续再生功率为45kw（PC）。
其中Tp是发电机的输出峰值转矩，Tc是发电机的输出连续转矩，r是轮胎半径，（是总传动比）制动过程中使用的再生制动力越多，回收的能量越多，提出了优化的分配策略 本文从最大能量回收的角度出发，既要快速停车，又要保持行驶方向的稳定性和可控性，同时也要保持驾驶员的手感，与传统的摩擦制动装置相似，一般有两种方法 在电制动力和摩擦制动力之间分配制动力。
1.并行方法
该模型中电机制动力与原始摩擦制动力成比例。 只需添加一个踏板位置传感器。 根据制动踏板的位置，电机制动从0-100％分配。 当踏板最大打开时，电机制动力将达到最大值。 在这种方法中，即使电机有多余的电力供应，摩擦制动力总是在前轮工作。 这意味着一些制动能量可以恢复散热。
2.串行方法
在前桥上增加一个电机制动力，为机械制动系统增加一个制动踏板位置。 当摩擦制动力没有加到前轮和后轮时，制动过程开始时电机制动工作。 在电机制动力达到最大值后，摩擦制动力会介入以满足要求的制动力。 当踏板位置达到某一点时，会触发紧急情况。 摩擦制动力完全恢复，电机制动力减小到零。 由于再生制动力的利用率较高，回收制动能量高于并行制动能量，本文选择了串行方法。 合作算法可以描述为以下流程图：
图片2。 制动力分配算法
Ff，Fr，Tp，TC，T参照公式：1,8,9,10;
Fmf：施加在前轮上的摩擦制动力;
Fmr：施加在后轮上的摩擦制动力;
Freg：再生制动力。
当SOC值小于80％时，再生可以工作。
电机的最大制动转矩取决于制动时间的长短。
当j lt;0.1g时，电机提供的所有制动力施加在前桥上。 该过程用于模拟发动机的减速功能。
当0.1g lt;j lt;0.7g时，再生制动力和摩擦制动力共同作用在一定范围内，如图2所示
1.如果再生制动力在FB-C范围内可用，如图2所示的D点，则前桥上的制动力应由电动机单独提供。 制动控制器应该将后轴上的制动力控制在适当的值，如图2点L所示。
2.如果可用再生制动力小于F点所对应的值，例如点E，如图2所示。为了满足制动力的要求。 电动机应控制在最大再生制动力。 前桥和后桥的制动力应控制在B点，以优化驾驶员的感觉和制动距离。 在这种情况下，必须在前桥的再生制动力上增加额外的机械制动力，用FE-F表示。
再生制动器使用双速DCT
如图3所示，电机是制动能量回收的关键限制因素。多速传动系统是延长发电机工作范围以实现再生制动并使电机工作在高效区域的一种可行方案（根据图4）。
图图片4。 发电机效率图
根据车辆速度和节气门开度设计能效确定换档时间表。（图片5）。图片5 DCT换档时间表
实验结果
该项目基于EV示例的实验装备包括由UQM Ltd制造的无刷永磁电机，双速DCT，两个飞轮，涡流测功机，高压电源，冷却系统，控制单元--- dSPACE MicroAutoBox 和快速控制原型。 （如图6所示）
对于几乎所有的城市驾驶循环而言，与电机的能力相比，要求前轮的制动力非常小。 因此，电机可以单独提供再生制动力，并使用测功机来模拟后轮上相应的摩擦制动力。 飞轮已被设置为模拟车辆惯性。 基于制动能量恢复策略的程序运行在dSPACE MicroAutoBox中，通过快速控制原型和记录数据来控制电机和摩擦制动力。
测试步骤:
1.首先，本实验中使用的所有传感器都应在任何测试之前进行校准，例如轴上的扭矩传感器。
2.然后，在道路荷载模型中设置测力计以模拟道路和空气的阻力：
测功机中的运行阻力等式用于模拟道路载荷：
参数n是测功机速度，可以设置参数a0，a1，a2，I和n0（标准化参数，例如= 1000），并且因此可以对不同的车辆进行调节。
当车辆在平台和水平地面
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